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Schaltungsanordnung zur Bestimmung von Nulldurchgängen einer flüchtigen Wechselspannung, insbesondere für den Leitungsschutz
In vielen Fällen, beispielsweise in der Technik des Leitungsschutzes, tritt das Problem auf, Nulldurchgänge einer flüchtigen Wechselspannung möglichst genau zu erfassen. So ist bei bestimmten Einrichtungen zum Leitungsschutz der Nulldurchgang einer flüchtigen Wechselspannung das Kriterium beispielsweise für die Entfernung der Fehlerstelle von der Messstelle.
Bisher verwendete man zur Bestimmung von Nulldurchgängen flüchtiger Wechselspannungen Gleichspannungsverstärker, bei denen zwar theoretisch der Zeitpunkt des Nulldurchganges der verstärkten Spannung mit dem Nulldurchgang der flüchtigen Wechselspannung zusammenfällt, die zeitlichen Änderungen derGleichspannungsdatenderverwendetenRöhrenod. dgl.aberdiezurErzielungeinerbestimmtenAusgangs- spannung erforderlichen Amplituden der fluchtigenwechselspannung verändern und daher in die Messung des
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tionseinrichtungen, die die zeitlichen Veränderungen der Gleichspannungsdaten der Verstärkerröhren unwirksam machen.
Die Erfindung befasst sich ebenfalls mit der Aufgabe der genauen Bestimmung von Nulldurchgängen einer flüchtigen Wechselspannung. Diese Aufgabe wird unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile bekannter Anordnungen mit einer Schaltungsanordnung gelöst, in der erfindungsgemäss die flüchtige Wechselspannung einem ein-oder mehrstufigen Wechselspannungsverstärker zugeführt wird, der zumindest in seiner ersten Stufe Gleichrichter in solcher Anordnung aufweist, dass an den Kopplungskondensator der ersten Stufe des Verstärkers nur die verstärkten Halbwellen einer Polarität der flüchtigen Wechselspannung gelangen und einer Relaiseinrichtung, Kippschaltung od. dgl. zur Kennzeichnung der Nulldurchgänge zugeführt werden, während die Halbwellen der andern Polarität den Ladungszustand des Kopplungskondensators nicht beeinflussen.
Da bei einem Wechselspannungsverstärker in die Verstärkung nur die Wechselspannungseigenschaften der Röhren bzw. der Transistoren eingehen und eine Änderung dieser Eigenschaften den Zeitpunkt des Nulldurchganges des Ausgangssignals gegenüber dem Nulldurchgang der als Eingangsspannung dienenden flüchtigen Wechselspannung nicht ändert, sind durch dieerfindungsgemässeSchaltungsanordnung die Nachteile der bekannten, mit Gleichspannungsverstärkern arbeitenden Schaltungen vermieden.
Der Verwendung von Wechselspannungsverstärkern zur Lösung der beschriebenen Aufgabe standen bisher insofern Bedenken entgegen, als die Frequenzabhängigkeit der für einen Wechselspannungsverstärker unerlässlichen Kopplungsglieder eine Phasenverschiebung hervorruft, die sich als zeitliche Verschiebung des Nulldurchganges des verstärkten Signals gegenüber demnulldurchgangder flüchtigenwechselspannung auswirkt. Zwar wird die Phasenverschiebung bedeutungslos, wenn man die Zeitkonstanten der Kopplungskreise sehr gross gegen die Halbwellenzeit der flüchtigen Wechselspannung machen kann, aber dies ist in vielenFällen nicht möglich.
So treten beispielsweise bei bekanntenEinrichtungenzumMessen der Fehlerstellenentfernung auf Leitungen Halbwellenzeiten bis zu 250 ms auf, so dass Kopplungsglieder mit Zeitkonstanten, die ein Vielfaches der Halbwellenzeit der flüchtigen Wechselspannung betragen, nur mit erheblichem Aufwand erzielbar sind. Diese schwierigkeit ist bei dererfind ungsgemässen Schaltungsanordnung dadurch vermieden, dass zumindest in der ersten Stufe des Wechselspannungsverstärkers Gleichrichter in
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solcher Anordnung vorgesehen sind, dass nur Halbwellen einer Polarität durchgelassen werden und der
Kopplungskondensator zumindest dieser Stufe sich während der andern Halbwellen nicht aufladen kann.
Da sich demgemäss der Ladungszustand des Kopplungskondensators während der nicht übertragenen Halbwel- len nicht ändert, kann der Kopplungskondensator die weiteren Stufen des Verstärkers bzw. die nachge- schaltete Relaiseinrichtung, Kippschaltung od. dgl. ohne Verzögerung steuern. Dadurch wird der an sich unvermeidlichePhasenfehler desWechselspannungsverstärkers bei der Lösung der genannten Aufgabe durch die spezielle Schaltungsanordnung nach der Erfindung beseitigt.
Wie bereits ausgeführt, hat die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung besondere Bedeutung bei Ein- richtungen zum Leitungsschutz, beispielsweise solchen, die zum Messen der Fehlerstellenentfernung Ver- wendung finden. Eine entsprechende Schaltungsanordnung soll als Ausführungsbeispiel der Erfindung im folgenden an Hand der Fig. 1 erläutert werden.
Die dargestellte Schaltungsanordnung macht von dem aus der deutschen Patentschrift Nr. 1027789 bzw. den aus der entsprechenden österr. Patentschrift Nr. 198814 bekannten Verfahren Gebrauch, bei dem nach Auftreten des Fehlers ein ersterSpeicherkondensator-in der genannten Figur mitCl bezeichnet-auf denScheitelwert einer derF. ehlerspannung auf der Leitung proportionalen Messspannung Uk und gleichzei- tig ein zweiter Speicherkondensator C2 auf den Scheitelwert einer dem Fehlerstrom auf der Leitung pro- portionalen Messspannung Jk. R aufgeladen werden.
DieseAufladung erfolgt in der Weise, dass bei einem innerhalb des zu überwachenden Leitungsstückes auftretenden Fehler die Spannung am zweiten Kondensator C2 grösser als die am ersten Kondensator Cl ist. Nach Abschaltung der Ladestromkreise beider Speicherkondensatoren werden diese durch Umlegen der
Kontakte al und a2 eines in der Regel durch den von der Schutzeinrichtung erzeugten Auslöseimpuls be- tätigten Relais bis zur Spannungsgleichheit entladen. Der Zeitpunkt der Spannungsgleichheit stellt also den Nulldurchgang der Differenz der beiden Kondensatorspannungen dar, d. h. den Nulldurchgang einer flüchtigen Wechselspannung AU, deren Verlauf über der Zeit t in Fig. 2 skizziert ist. Der Zeitpunkt des Nulldurchganges ist mit tx bezeichnet.
Die für die Entladung der Speicherkondensatoren bis zum Zeitpunkt tx erforderliche Zeitspanne wird bei diesem bekannten Verfahren durch gleichzeitige Änderung und Auswertung des Ladungszustandes eines Hilfkondensators, der in Fig. 1 mit CH bezeichnet ist, als Mass für die Fehlerstellenentfernung verwendet.
Wie Fig. l erkennen lässt, ist zwischen die Entladungswiderstände Rl und R2 der beiden Speicher kon- densatoren Cl und C2, an denen die flüchtige Wechselspannung AU abgegriffen wird, und den den Hilfskondensator CH enthaltenden Schaltungsteil eine Anordnung eingefügt, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei Doppelröhren I und II enthält. Die flüchtige Wechselspannung AU wird dem zweistufigen Wechselspannungsverstärker, der die Röhre I enthält, zugeführt. Es handelt sich hiebei um einen RC-Verstärker, jedoch könnte grundsätzlich auch einLC-Verstärker Verwendung finden.
Der Arbeitskreis der ersten Stufe des Wechselspannungsverstärkers enthält den Arbeitswiderstand R3 sowie den Entkopplungskondensator C3 ;
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stärker weist in diesem Ausführungsbeispiel in seiner ersten Stufe den Gleichrichter Gl in solcher Anordnung auf, dass der Kopplungskondensator C5 der ersten Verstärkerstufe die verstärkten Halbwellen positiver Polarität der flüchtigen Wechselspannung, d. h. die im Augenblick des Nulldurchganges der Differenzspan- nungAU beginnende zweite Halbwelle, überträgt und der Kopplungskondensator C5 bei Beginn dieser Halb welle einen definierten Ladungszustand aufweist.
Der Ladungszustand des Kopplungskondensators ändert sich also nurwährend der zweitenHalbwelle Die verstärkte zweite Halbwelle wirdüberdenKopplungskondensa- tor C6 sowie den Gleichrichter G2 der zweiten Verstärkerstufe dem Eingang der zu einer bistabilen Kippschaltung gehörenden Doppelröhre II zugeführt. Der Gleichrichter G2 hat dabei die Aufgabe, eine Rück- wirkung der Kippschaltung auf den Wechselspannungsverstärker zu verhindern.
Die im Ausführungsbeispiel der Fig. l in der linken Stufe der Kippschaltung angeordnete Relaiseinrichtung T dient dazu, den Nulldurchgang der Differenzspannung AU, deren verstärkte zweite Halbwelle der Kippschaltung zugeführt wird, durch Beendigung der Änderung des Ladungszustandes des Hilfskondensators CH zu kennzeichnen.
Die Schaltung nach Fig. 1 arbeitet im einzelnen folgendermassen :
Solange keine zu messende flüchtige Wechselspannung auftritt, liegt der Hilfskondensator CH über die Stabilisatoranordnung St am Transformator Tr und wird auf eine konstante Spannung aufgeladen. Sobald die zu messende Differenzspannung AU durch Umlegen der Kontakte al und a2 am Eingang der Verstärkerröhre I erscheint, wird auf die Klemme 1 der im unteren Teil der Fig. l wiedergegebenen Steuerschal-
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tung ein Gleichstromsignal gegeben, das das Relais j erregt. Dieses Gleichstromsignal wird in dem die Speicherkondensatoren Cl und C2 enthallenden Gerät erzeugt.
Das Umschaltrelais J trennt durch Umle- gen seines Kontaktes il den Ladestromkreis des Hilfskondensators CH auf, so dass sich dieser über die Wi- derstände R6 und ! t7 sowie den Kontakt t1 des Relais T mit einer definierten Zeitkonstante entlädt.
Das Umschaltrelais J besitzt weiterhin Kontakte, die den Arbeitspunkt des Wechselspannungsverstärkers durch Ein- bzw. Umschalten von Widerständen beim Auftreten einer zu messenden flüchtigen Wech- selspannung ändern. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Messung des Nulldurchganges dann besonders genau wird, wenn der ArbeitspunKt des Verstärkers so liegt, dass die zum Ansprechender Relaiseinrichtung T erforderliche flüchtige Wechselspannung negativ ist. Diese Beeinflussung des Arbeitspunktes erfolgt in dem in Fig. 1 wiedergegebenen Schaltungsbeispiel durch den Kontakt i2, der dem Kathodenwiderstand R8 der ersten Verstärkerstufe die Widerstände R9 und R10 parallelschaltet. Diese Massnahme wirkt in gleicher Weise wie eine positive Vorspannung am Steuergitter.
Der Kontakt i2 erfüllt, ebenso wie. der Kontakt i3, der den Gleichrichter G2 in der betriebsfreien Zeit überbrückt, noch eine weitere Aufgabe. Beide Kontakte gewährleisten nämlich nach jeder Messung eine rasche Entladung der Kopplungskondensatoren C5 und C6.
Eine ähnliche Aufgabe wie die erstgenannte Aufgabe des Kontaktes i2 erfüllt der Kontakt i4 in der Kippschaltung, der bis zum Zeitpunkt des Beginns der Messung dafür sorgt, dass die das Relais enthaltende linke Stufe der Kippschaltung infolge des zusätzlich eingeschalteten Kathodenwiderstandes Rll nicht leitend wird und daher das Relais T selbst beim Auftreten von Störspannungen nicht erregt wird. Beim Auftreten der flüchtigen Wechselspannung AU überbrückt der Kontakt i4 den Widerstand Rll, so dass bei einer relativ kleinen positiven Spannung am Gitter der linken Röhrenstufe der Kippschaltung diese Stufe leitend wird.
Das dann ansprechende Relais T beendet durch Öffnung seines Ruhekontaktes tl im Entladekreis des Hilfskondensators CH dessen Entladung und bewirkt gleichzeitig in diesem Ausfuiifungsbeispiel die Auswertung des Ladungszustandes des Hilfskondensators im Zeitpunkt t des Nulldurchganges der Differenzspannung AU durch Anschalten des Messgerätes M an den Hilfskondensator. Mit Sp ist ein zum Abgleich des Messgerätes vorgesehener Spannungsteiler bezeichnet.
Das Relais T hält sich über seine im Steuerteil angeordnete zweite Wicklung und den Kontakt t2 w äh- rend der zum Auswerten des Ladungszustandes des Hilfskondensators erforderlichen Zeit.
Zur Überprüfung der Schaltungsanordnung sind die Drucktasten D1 und D2 vorgesehen. Beim Drücken der Taste D1 wird in diesem Schaltungsbeispiel die in der Darstellung der Fig. 2 positive Halbwelle der
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und auf die zweite Verstärker-stufe gegeben. Diese Befehle werden infolge des Kontaktes i6 gleichzeitig mit dem Gleichstromimpuls an Klemme 1 wirksam. Im zweiten Fall darf das Relais T nicht ansprechen, sondern das Messinstrument M, beispielsweise ein Gleichspannungsinstrument, muss den entladenen Zustand des Hilfskondensators CH anzeigen.
Im Steuerteil ist ferner das Hilfsrelais S angeordnet, das durch die Reihenschaltung des Kondensators C15 und des Widerstandes R15 verzögert ist und als Zeitrelais wirkt. Dieses Relais sorgt für die Aufrechterhaltung der Messung, bis sich der Zeiger des Messgerätes auf seinen Endwert eingestellt hat. Es kann ferner nach der Einstellung des Zeigers den Magneten F einschalten, der auf einen die Zeigerstellung arretierenden Haltebügel einwirkt.
An Hand der Fig. 3 und 4 soll im folgenden die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung im Zusammenwirken mit der Schutzschaltung, die auch im Falle der Fig. 1 als Beispiel gewählt wurde, etwas genauer erläutert werden, wobei bezüglich Einzelheiten der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung auf Fig. 1 verwiesen wird.
In Fig. 3 ist die die zu überwachende Leitung L speisende Sammelschiene mit S bezeichnet ; 15 ist der dazugehörige Leistungsschalter. Über die Wandler WI und WU werden den elektrischen Grössen auf der LeitungL proportionaleStröme bzw. SpannungenderSchutzschaltungSch zugeführt. Dabei wird der Strom I amWiderstandR zuvor in eine Spannung I. R umgewandelt, die im Fehlerfalle den Wert Ik. R annimmt.
Die spannungsproportionale Sekundärspannung des Wandlers WU nimmt dann den Wert Uk an.
Die Schutzschaltung enthält im einzelnen nicht dargestellte, in bekannter Weise geschaltete Relais, die beim Auftreten vorbestimmter, durch einen Fehler auf der Leitung L hervorgerufener Amplitudenund Phasenbedingungen von Strom I und Spannung U zueinander den Anregekontakt An betätigen, so dass das Relais B anspricht und infolge Schliessens seiner Kontakte b1 und b2 das Aufladen der Kondensatoren Cl und C2 auf die Fehlerspannungen Uk und Ik. R bewirkt.
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